CN112714869A - 含钌电极 - Google Patents

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Abstract

本文公开了含钌材料，诸如具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容的含钌材料。在一些实施方案中，所述含钌材料适合用在电极中。在一些实施方案中，所述含钌材料适合用在纳米孔测序装置中。

Description

含钌电极
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年8月28日提交的名称为“RUTHENIUM-CONTAINING ELECTRODES”的美国临时专利申请号62/723,871的优先权，该美国临时专利申请全文以引用方式并入本文。
以引用方式并入
本说明书中提到的所有出版物和专利申请都以引用方式并入本文，所达到的程度如同每个单独的出版物或专利申请都被具体地和单独地指出以引用方式并入。
技术领域
本发明的实施方案整体涉及电极，并且更特别地涉及在核酸测序中使用的电极。
背景技术
从四十年前开始，DNA测序的重要性就已大大提高。它被认为是生物学和医学大多数领域的关键技术，也是个性化和精准医疗新典范的基础。有关个人基因组和表观基因组的信息可以帮助揭示他们的疾病倾向、临床预后以及对治疗方案的响应，但是基因组测序在医学中的常规应用将需要以及时且经济有效的方式递送的综合数据。
基于纳米孔的核酸测序是已被广泛研究的方法。在过去的二十年中，人们一直对利用纳米孔进行聚合物表征和以低成本、快速、单分子的方式区分核苷酸有极大的兴趣。例如，Kasianowicz等人在单链多核苷酸电易位穿过包埋在脂质双分子层中的α溶血素纳米孔时对其进行了表征(参见例如，Kasianowicz，J.(1996)，Characterization of IndividualPolynucleotide Molecules using a Membrane Channel.Proc.Natl.Acad.Sci.，93，13770-3)。已经证明，在多核苷酸易位期间，可以测量纳米孔孔径的部分堵塞作为离子电流降低的量度。类似地，Gundlach等人证明了对DNA进行测序的方法，该方法使用源于耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis，“MspA”)的低噪声纳米孔，并结合了称为双链体中断测序的过程(参见例如，Derrington，I.等人(2010)，Nanopore DNA Sequencing withMspA.Proc.Natl.Acad.Sci.，107(37)，16060-16065)。在此，使用双链双链体将核酸的单链部分暂时保持在MspA缩窄中。Akeson等人(参见例如，PCT公布号WO/20150344945)公开了用于表征纳米孔中的多核苷酸的方法，这些方法利用相邻定位的分子马达来控制多核苷酸穿过纳米孔孔径或与纳米孔孔径相邻的易位速率。
一般来讲，已采用了三种纳米孔测序方法：链测序，其中DNA的碱基在相继穿过纳米孔时被识别；基于核酸外切酶的纳米孔测序，其中核苷酸从DNA分子上被逐个酶切，并且在被纳米孔捕获和穿过纳米孔时被监测；以及纳米孔合成测序(SBS)方法，其中可识别的聚合物标签附接到核苷酸并且在酶催化的DNA合成期间在纳米孔中登记。所有这些方法的共同点是需要精确控制反应速率，以便按顺序确定每个碱基。链测序需要用于减慢DNA穿过纳米孔的速度并且解码通道内的多个碱基的方法；为此，已经开发了利用分子马达的棘轮方法。基于核酸外切酶的测序需要在足够靠近孔时释放每个核苷酸，以保证其捕获并且以足够慢的速率穿过该孔，以获得有效的离子电流信号。此外，这两种方法都依赖于四个天然碱基，即两个相对相似的嘌呤和两个相似的嘧啶之间的区别。纳米孔SBS方法利用附接到核苷酸的合成聚合物标签，这些标签经过专门设计，以产生独特且能够容易区分的离子电流阻断标记，用于序列测定。
发明内容
本公开的一个方面是纳米孔测序装置，其包括：(i)由含钌材料组成的电极；以及(ii)和参考电极或反电极中的至少一者。在一些实施方案中，含钌材料包含钌、氧和氮中的至少两者。在一些实施方案中，含钌材料包含氮化钌和氮氧化钌中的至少一者。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在一些实施方案中，表面组成比在从约1.8至约3.0的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.2的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2.1至约2.4的范围内。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，该电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。在一些实施方案中，该纳米孔测序装置还包括设置在电极表面上的电介质材料。在一些实施方案中，该电极设置在金属层上。在一些实施方案中，该纳米孔测序装置包括布置在芯片上的多个电极。
本公开的另一方面是包括多个可单独寻址的纳米孔的芯片，其中每个可单独寻址的纳米孔与由含钌材料组成的工作电极流体连通。在一些实施方案中，含钌材料包含钌、氧和氮。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在一些实施方案中，表面组成比在从约1.8至约3.0的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.2的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2.1至约2.4的范围内。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，工作电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的柱状结构。在一些实施方案中，工作电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
本公开的另一方面是下述纳米孔测序装置，其包括其中包括多个可单独寻址的纳米孔的芯片或生物芯片，其中每个可单独寻址的纳米孔与由含钌材料组成的工作电极流体连通。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。
本公开的另一方面是下述纳米孔测序装置，其包括：工作电极，该工作电极由含钌材料组成；和电介质层，其中该电介质层的一部分与工作电极水平相邻设置，并且该电介质层的一部分设置在工作电极的一部分上方并且覆盖工作电极的该部分，并且其中该电介质层在工作电极的未覆盖部分上方形成具有开口的阱(参见例如，美国专利号10,036,739，其公开内容据此全文以引用方式并入本文)。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在一些实施方案中，表面组成比在从约1.8至约3.0的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.2的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2.1至约2.4的范围内。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，该电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。在一些实施方案中，该纳米孔测序装置还包括在电介质层上方的表面，并且其中隔膜能够在该表面之上形成并且跨过工作电极的未覆盖部分上方的阱的开口。在一些实施方案中，工作电极的基部表面积大于工作电极的未覆盖部分上方的开口的基部表面积。
本公开的另一方面是根据以下方法制备的含钌膜：使用钌靶材(例如，纯度为95％、纯度为97％或纯度为99％的钌金属靶材)执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者，其中溅射沉积或等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于约10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以约10sccm的流速引入沉积室中，并且其中在沉积期间将沉积室内的沉积压力保持在介于约5毫托至约25毫托之间，并且其中沉积使用在从约50瓦至约250瓦的范围内的功率执行。在一些实施方案中，沉积压力为约20毫托，氮气的流速为约90sccm，并且功率为约200瓦。在一些实施方案中，沉积过程在室温下进行。在一些实施方案中，含钌膜具有在介于约180pF/um2至约220pF/um2之间的范围内的双层电容。
在一些实施方案中，该方法还包括在大于120℃的温度加热沉积的含钌膜。在一些实施方案中，加热在介于140℃至约340℃之间的范围内的温度进行。在一些实施方案中，通过X射线光电子能谱法测量的含钌膜的(N+O)/Ru表面组成比在介于约1.5和约3.5之间的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在介于约1.8至约3.2之间的范围内。在一些实施方案中，含钌膜包含按该膜的总重量计至多15％的氮。在一些实施方案中，含钌膜包含按该膜的总重量计至多10％的氮，但按该膜的总重量计不少于5％的氮。在一些实施方案中，含钌膜具有在介于约260pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌膜包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。在一些实施方案中，含钌膜包括面心立方结构。
本公开的另一方面是沉积到衬底上的叠层，至少部分地设置在衬底的表面上的金属层、设置在金属层的表面上的有源层，以及至少部分地设置在有源层的表面上的覆盖层，其中有源层包括含钌膜，该含钌膜是通过使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者而制备的，其中溅射沉积或等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于约10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以约10sccm的流速引入沉积室中，并且其中在沉积期间将沉积室内的沉积压力保持在介于约5毫托至约25毫托之间，并且其中沉积使用在从约50瓦至约250瓦的范围内的功率执行。在一些实施方案中，有源层至少部分地被电介质材料包围。在一些实施方案中，覆盖层由电介质材料组成。在一些实施方案中，可以对叠层进行热处理。在一些实施方案中，含钌材料具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，衬底为半导体。在一些实施方案中，衬底包括密度至少为200个阱/mm2的多个阱，并且每个阱都包括叠层。在一些实施方案中，密度至少为300个阱/mm2。在一些实施方案中，密度至少为400个阱/mm2。在一些实施方案中，密度至少为500个阱/mm2。在一些实施方案中，该叠层可以容纳在容器(例如储器)中。
本公开的另一方面是包括上文所识别的叠层的纳米孔测序装置。在一些实施方案中，该叠层可以放置在反电极附近。在一些实施方案中，该叠层可以定位在储器内。
本公开的另一方面是包括多个可单独寻址的纳米孔的生物芯片，其中每个可单独寻址的纳米孔与由含钌材料组成的工作电极流体连通，其中含钌材料是通过使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者而制备的，其中溅射沉积或等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于约10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以约10sccm的流速引入沉积室中，并且其中在沉积期间将沉积室内的沉积压力保持在介于约5毫托至约25毫托之间，并且其中沉积使用在从约50瓦至约250瓦的范围内的功率执行。在一些实施方案中，含钌材料具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。
本公开的另一方面是沉积在衬底上的薄膜，该薄膜包含氮化钌、氧化钌、氮氧化钌或它们的混合物，并且其中该薄膜具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容，并且其中该薄膜具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，双层电容在介于约260pF/um2至约320pF/um2之间的范围内。在一些实施方案中，双层电容在介于约280pF/um2至约300pF/um2之间的范围内。在一些实施方案中，通过X射线光电子能谱法测量的薄膜的表面组成比(N+O)/Ru在介于约1.5和约3.5之间的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在介于约1.8至约3.2之间的范围内。在一些实施方案中，薄膜包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
本公开的另一方面是包括上述含钌薄膜的电极。
本公开的另一方面是制备电极的方法，其包括：在设置到导电层上的第一电介质层内蚀刻出洞，其中该洞包括导电层的暴露表面；将包括含钌膜的工作电极至少沉积到洞内的导电层的暴露表面上；以及将覆盖层沉积到工作电极的表面上。在一些实施方案中，沉积工作电极包括(i)使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者以提供含钌膜；以及(ii)在至少约150℃的温度加热所提供的含钌膜。
在一些实施方案中，工作电极的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的薄膜表面组成比(N+O)/Ru。在一些实施方案中，该比率在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，工作电极的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，工作电极的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量，并且其特征还在于具有通过横截面扫描电子显微镜检查法观察到的柱状结构或树枝状结构中的一种。
在一些实施方案中，沉积工作电极包括(i)使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者，其中溅射沉积或等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于约10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以约10sccm的流速引入沉积室中，并且其中在沉积期间将沉积室内的沉积压力保持在介于约5毫托至约25毫托之间，并且其中沉积使用在从约50瓦至约250瓦的范围内的功率执行；以及(ii)在至少约150℃的温度加热所提供的含钌膜。在一些实施方案中，加热至少在约200℃执行。
本公开的另一方面是下述纳米孔测序装置，其包括：(i)电极，该电极具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容；以及(ii)和参考电极或反电极中的至少一者。在一些实施方案中，该电极由钌、氧和氮组成，并且其中该电极包含至少约5％但不超过约15％的氮。在一些实施方案中，该电极由金属氮化物组成。在一些实施方案中，金属氮化物是氮化钌。在一些实施方案中，该电极包含氮化钌和氮氧化钌。
本公开的另一方面是下述纳米孔测序装置，其包括：纳米孔和在纳米孔附近的电极，该电极包含含钌材料，该含钌材料具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料包含钌、氧和氮中的至少两者。在一些实施方案中，含钌材料包含氮化钌和氮氧化钌中的至少一者。在一些实施方案中，纳米孔是纳米孔测序复合物的一部分。
本公开的另一方面是下述生物芯片，其包括：(a)半导体衬底，该半导体衬底具有密度至少为250个阱/mm2的多个阱；和(b)电极，该电极设置在多个阱中的每个阱中，其中该电极由含钌材料组成。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在一些实施方案中，表面组成比在从约1.8至约3.0的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，其中含钌材料的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，该生物芯片还包括设置在每个单独电极的表面上的疏水涂层。在一些实施方案中，该生物芯片还包括设置在该生物芯片上方的盖子。在一些实施方案中，该盖子包括至少一个流体入口，以促进一种或多种流体向脂质涂层递送。
本公开的另一方面是套件，该套件包括生物芯片(例如，由下述部件组成的生物芯片：(a)半导体衬底，该半导体衬底具有密度至少为250个阱/mm2的多个阱；和(b)电极，该电极设置在多个阱中的每个阱中，其中该电极由含钌材料组成)和第二组分。在一些实施方案中，第二组分是脂质溶液。在其他实施方案中，第二组分是缓冲液。在一些实施方案中，第二组分包括用于形成纳米孔测序复合物的组分(例如孔、酶、模板等)。
本公开的另一方面是制备生物芯片的方法，其包括：(a)获得半导体衬底；(b)在半导体衬底中以至少250个阱/mm2的密度形成多个阱；以及(c)在多个阱的每个单独阱中形成电极，其中该电极由含钌材料组成。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于约1.5和约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在一些实施方案中，表面组成比在从约1.8至约3.0的范围内。在一些实施方案中，表面组成比在从约2至约2.5的范围内。在一些实施方案中，含钌材料的特征在于具有至少约5％的氮含量但不超过约15％的氮含量。在一些实施方案中，该方法还包括用疏水材料涂覆电极的表面。
本公开的另一方面是组件，其包括：(i)储器，(ii)生物芯片(例如，由下述部件组成的生物芯片：(a)半导体衬底，该半导体衬底具有密度至少为250个阱/mm2的多个阱；和(b)电极，该电极设置在多个阱中的每个阱中，其中该电极由含钌材料组成)，以及(iii)反电极，该反电极设置在储器的面向生物芯片的表面上。在一些实施方案中，该反电极被印刷在面向生物芯片的表面上。储器、反电极和其他组件部件在美国专利号9,658,190中有所描述，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。用于包括在组件中的附加部件在美国专利申请公布号2017/0350859和2017/0326550中公开，这些美国专利申请公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
申请人已惊讶地发现，具有改进的双层电容的含钌材料使得能够降低信号衰减速率，最终允许当不同类型的标签被保持在纳米孔的桶身内时改进信号分辨率。
附图说明
参考附图来总体理解本公开的特征。在附图中，相同的附图标号始终用于识别相同的元件。
图1A展示了溅射功率对双层电容的影响。
图1B展示了溅射功率对沉积膜厚度的影响。
图1C提供了以50W溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图1D提供了以100W溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图1E提供了以200W溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图1F提供了以50W溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图1G提供了以100W溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图1H提供了以200W溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图2A提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和20sccm的氮气流速溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图2B提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图2C提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和20sccm的氮气流速溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图2D提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图2E提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图2F提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的横截面扫描电子显微镜图像。
图2G提供了以200W、10毫托、10sccm的氩气流速和20sccm的氮气流速溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图2H提供了以200W、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图3A示出了以10sccm的氩气流速和20sccm的氩气流速溅射的含钌膜的能量色散X射线光谱结果。数据表明，在20sccm(低氮气流速)下，所生成的膜的主体主要是钌，并且膜包含的氮少于5％。
图3B示出了以10sccm的氩气流速和90sccm的氩气流速溅射的含钌膜的能量色散X射线光谱结果。数据表明，在90sccm(高氮气流速)下，所生成的膜的主体主要是钌，并且膜包含约15％的氮。
图3C示出了以10sccm的氩气流速和20sccm的氩气流速溅射，之后进行热处理的含钌膜的能量色散X射线光谱结果。数据表明，与图3A相比，观察到氧含量显著增加。
图3D示出了以10sccm的氩气流速和90sccm的氩气流速溅射，之后进行热处理的含钌膜的能量色散X射线光谱结果。数据表明，与图3B和图3C相比，仅观察到氧含量少量增加。
图4A提供了以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射沉积，之后在150℃处进行热处理的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图4B提供了以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射沉积，之后在200℃处进行热处理的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图4C提供了以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射沉积，之后在260℃处进行热处理的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图4D提供了以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射沉积，之后在320℃处进行热处理的含钌膜的自顶向下扫描电子显微镜图像。
图5A提供了展示在各种温度进行热处理对以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的双层电容的影响的图形。
图5B提供了展示在各种温度进行热处理对以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的钌、氮和氧的原子比的影响的图形。
图5C提供了展示在各种温度进行热处理对以200W、室温、20毫托、10sccm的氩气流速和90sccm的氮气流速溅射的含钌膜的钌、氮和氧的原子百分比的影响的图形。
图6A展示了四个含钌样品的X射线光电子能谱数据(还可参见本文的表1)。
图6B展示了四个含钌样品的X射线光电子能谱数据(C1s)。
图6C展示了四个含钌样品的X射线光电子能谱数据(N1s)。
图6D展示了四个含钌样品的X射线光电子能谱数据(O1s)。
图7A示出了证明包括由含钌材料组成(并且具有高的工作电极电容)的电极的单元和包括由氮化钛组成(并且具有相对较低的工作电极电容)的电极的单元之间的信号衰减速率差异的图形。信号衰减速率是通过在ADC的开关接通时将ADC(模数转换器)上的信号变化作为时间的函数作图来测量的(参见图10A至图10D)。在这段时间内，Ncap通过如图10A所示的包含C双层和C双分子层的电路放电。测量发生在芯片上的ASIC电路处
图7B展示了缓慢发生的衰减(比较图7B和图7C的曲线的斜率)，并且还示出了与四个不同核苷酸相关联的四个不同标签中的每个标签的衰减。在不同的信号衰减曲线之间示出了良好的分离，与图7C所示的衰减曲线相比，这提供了更好的信号分离和增加的信号分辨率。
图7C展示了快速发生的衰减(与图7B相比)。观察到与图7B相比较低的信号分辨率。
图8展示了使用带聚合物标签的核苷酸(140)通过纳米孔进行的单分子DNA测序。这四个核苷酸中的每个核苷酸都带有不同的标签。在纳米孔测序期间，这些经由核苷酸的5’-磷酸根附接的标签在产生独特的电流阻断标记(150)的情况下每次一个地释放到纳米孔(130)中。
图9展示了基于纳米孔的测序芯片中的单元100的一个实施方案。
图10A展示了基于纳米孔的测序芯片的单元中的电路的一个实施方案，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段期间变化。
图10B展示了其中开关“1”(PRE)闭合并且开关“2”(TRS)断开的电路。当以这种配置施加电压时，NCAP(用于电荷储存和放电的电容器)被充电到工作电极(Vpre)。
图10C展示了其中开关“1”(PRE)断开并且开关“2”(TRS)闭合的电路。在这种配置下，NCAP放电，并且发生从NCAP一直到反电极的放电(Vliq)(参见箭头)。放电速率取决于相对于双分子层电容的电极双电容。电极双电容值越高，衰减就越慢(最终改善了信号，诸如在测序期间)。高工作电极电容(C双层)意味着Vpre-Vliq的衰减较慢。这被认为改善了信号分辨率，因为具有不同标签的纳米孔具有不同的电阻(Rpore)，从而导致衰减速率的差异(参见图7B和图7C)。
图10D展示了其中开关“1”(PRE)断开并且开关“2”(TRS)也断开的电路。在这种配置中，ADC(模数转换器)可以读取节点A处的电压，从而允许收集数据点。
图11A展示了在导电电极和相邻液体电解质之间的任何界面处形成的双层。在所示的该示例中，电极表面带负电，导致带正电的物质在电解质中积聚。在另一个示例中，所示的所有电荷的极性可以与所示的该示例相反。
图11B展示了可以在形成如图11A中的双层的同时在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处形成的赝电容效应。
图12展示了用于分析纳米孔内部的分子的过程800的一个实施方案，其中该纳米孔插入隔膜中。
图13展示了当过程800被执行并且重复三次时跨纳米孔施加的电压相对于时间的图线的一个实施方案。
图14展示了当纳米孔处于不同状态时跨纳米孔施加的电压相对于时间的图线的一个实施方案。
图15展示了基于纳米孔的测序芯片的非法拉第电化学单元1100的一个实施方案，其包括具有增加的电化学电容的TiN工作电极。
图16A至图16D展示了制造包括含钌材料的基于纳米孔的测序芯片的电极的方法的一个实施方案。
具体实施方式
还应当理解，除非有明确的相反指示，否则在本文要求权利的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不必限于叙述该方法的步骤或动作的顺序。
如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数术语“一个”、“一种”和“该”包括多个指代物。类似地，除非上下文另有明确指示，否则词语“或”旨在包括“和”。术语“包括”被定义为包括性的，使得“包括A或B”表示包括A、B，或A和B。
如本文在说明书和权利要求书中所用，“或”应当理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将清单中的项目分开时，“或”或者“和/或”应当解释为包括性的，即，包括多个要素或要素清单以及任选地附加的未列出项目中的至少一个，但也包括多于一个。仅在使用明确指出相反意思的术语时，诸如“……中的仅一者”或“……中的恰好一者”，或当在权利要求书中使用时，“由……组成”将指包括多个要素或要素清单中的恰好一个要素。一般来讲，当后置有排他性术语，诸如“……中的任一者”、“……中的一者”、“……中的仅一者”或“……中的恰好一者”时，如本文所用的术语“或”仅应当解释为指明排他性的替代方案(即，“一者或另一者，但并非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由……组成”应当具有其在专利法领域中所使用的普通含义。
术语“包括”、“包含”、“具有”等可互换使用并且具有相同的含义。类似地，“包括”、“包含”、“具有”等可互换使用并且具有相同的含义。具体而言，每个术语的定义都与普通美国专利法对“包括”的定义一致，因此每个术语都被理解为开放性术语，其含义为“至少以下”，并且也被理释为不排除附加的特征、限制、方面等。因此，例如“具有部件a、b和c的装置”意味着该装置至少包括部件a、b和c。类似地，短语：“涉及步骤a、b和c的方法”意味着该方法至少包括步骤a、b和c。此外，尽管本文可以以特定的顺序概述步骤和过程，但是本领域技术人员将认识到，所述顺序步骤和过程可能有所不同。
如本文在说明书和权利要求书中所用，在提及一个或多个要素的清单时，短语“至少一个”应当理解为意味着从该要素列表中的任何一个或多个要素中选择的至少一个要素，但不一定包括该要素列表中具体列出的每一个要素中的至少一个，并且不排除该要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许除了短语“至少一个”所指代的要素列表中具体识别的要素之外，可以任选地存在别的要素，无论与那些具体识别的要素有关还是无关。因此，作为一个非限制性示例，在一个实施方案中，“A和B中的至少一个”(或换句话讲，“A或B中的至少一个”，或换句话讲，“A和/或B中的至少一个”)可以指至少一个(任选地包括多于一个)A，且不存在B(并且任选地包括除B以外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个(任选地包括多于一个)B，且不存在A(并且任选地包括除A以外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个(任选地包括多于一个)A和至少一个(任选地包括多于一个)B(并且任选地包括其他要素)；等等。
如本文所用，术语“双层电容”是指借助于电双层效应来储存电能。这种电现象出现在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处。如果施加电压，则在该交界处形成两层极性相反的离子。这两层离子被附着至电极表面并且像常规电容器中的电介质一样起作用的单层溶剂分子隔开。
如本文所用，术语“引入”意味着气体(或气体混合物)浓度的增加或改变。气体可以通过本领域已知的任何方式引入。例如，通过增加进入溅射室或气体料流的特定反应性气体(或气体混合物)的流量，可以将附加量的反应性气体添加到溅射室或惰性气体料流中(在这种情况下，例如，可以通过监测附接的流量计或其他质量流量控制器来确定添加的气体量)。
如本文所用，术语“溅射室”可以指整个溅射室、其一部分，或围绕溅射靶材的特定区域的区域。
如本文所用，术语“纳米孔”是指在隔膜中形成或以其他方式提供的孔、通道或通路。纳米孔可以由隔膜中的分子(例如蛋白质)来限定。隔膜可以是有机隔膜，诸如脂质双分子层，或合成隔膜，诸如由聚合材料形成的隔膜。纳米孔可以设置成邻近或靠近感测电路，诸如，互补金属氧化物半导体(CMOS)或场效应晶体管(FET)电路。纳米孔可以具有大约0.1纳米(nm)至约1000nm的特征宽度或直径。一些纳米孔是蛋白质。α溶血素是蛋白质纳米孔的一个示例。
如本文所用，术语“纳米孔测序复合物”是指与酶(例如聚合酶)连接或偶联的纳米孔，该酶继而与聚合物(例如多核苷酸模板)缔合。纳米孔测序复合物定位在隔膜(例如脂质双分子层)中，在那里起到识别聚合物组分(例如核苷酸或氨基酸)的作用。
如本文所用，术语“纳米孔测序”或“基于纳米孔的测序”是指借助纳米孔确定多核苷酸的序列的方法。在一些实施方案中，多核苷酸的序列以模板依赖性方式确定。本文所公开的方法不限于任何纳米孔测序方法、系统或装置。
如本文所用，术语“核酸”是指包含一个或多个核酸亚基的分子。核酸可以包括一个或多个选自腺苷(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)的亚基(碱基)。这些碱基的衍生物在PCR Systems，Reagents and Consumables(Perkin Elmer产品目录1996-1997，Roche Molecular Systems，Inc.，Branchburg，N.J.，USA)中举例说明，该产品目录全文以引用方式并入本文。在一些示例中，核酸是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或其衍生物。核酸可以是单链的或双链的。核酸可以包括任何核酸分子，其包括但不限于DNA、RNA以及它们的杂合物或变体。
如本文所用，术语“测序”是指确定核酸中碱基的顺序和位置。
如本文所用，术语“标签”是指可检测部分，该可检测部分可以是原子或分子，或者原子或分子的集合。标签可以提供光学、电化学、磁性或静电(例如，感应、电容)标记，该标记可以借助纳米孔来检测。
如本文所用，术语“带标签的核苷酸”是指在其末端磷酸根处具有附接的标签的核苷酸。
申请人已经开发了改进的纳米测序装置，其包括与现有技术的电极相比具有出乎意料的优异双层电容的电极，从而允许相对较快的信号衰减。这些实施方案和其他实施方案在本文中公开。
含钌材料
本公开的一个方面是含钌材料。在一些实施方案中，含钌材料包含钌、氮和氧中的至少两者。在一些实施方案中，含钌材料包括氧化钌、氮化钌、氮氧化钌等，以及它们的任何复合物或混合物(例如，包含氮化钌和氮氧化钌的复合物；或者包含氮化钌和氮氧化钌的混合物)。在一些实施方案中，含钌材料可以用于电极中。在一些实施方案中，含钌材料可以用作包括多个阱(诸如多个可单独寻址的阱)的芯片或生物芯片中的电极。在一些实施方案中，可以将含钌材料掺入到在测序装置(诸如纳米孔测序装置)中使用的电极中。如本文将进一步详细描述的，本发明所公开的含钌材料与其他金属氮化物(诸如氮化钛)相比具有改善的物理性质和/或化学性质，例如，这些含钌材料与氮化钛材料相比提供了增加的双层电容，并且还允许相对增强的信号衰减速率。
在一些实施方案中，这些含钌材料通过将含钌材料沉积到衬底上来制备。可以利用适当的沉积系统，其包括但不限于溅射沉积、等离子体气相沉积、化学气相沉积、中频反应性溅射、直流溅射和磁性溅射。溅射被广泛用于将材料的薄膜沉积到衬底上。一般来讲，这样的过程涉及在离子化气体气氛中离子轰击待溅射材料(“靶材”)的平面板或可旋转板。等离子体中的气体离子被加速朝向由待沉积材料组成的靶材移动。材料从靶材分离(“溅射”)，然后沉积在附近的衬底上。该过程在密闭腔室中实现，在沉积开始之前该密闭腔室被抽真空至真空基准压力。在该过程期间保持真空，以使靶材的颗粒离开原位并且作为薄膜沉积在被涂覆的衬底上。
在一些实施方案中，待溅射到衬底上的材料作为靶材板(该板本身可以是旋转的靶材板或平面的靶材板)上的涂层存在。在其他实施方案中，整个靶材可以由将被溅射到衬底上的材料组成。任何材料均可以用于该目的，其包括纯金属和混合金属。
合适的溅射系统包括：(i)腔室，该腔室被配置用于溅射平面靶材或旋转靶材(例如钌靶材)；(ii)一个或多个气体歧管(或混合气体歧管)，所述气体歧管与腔室流体连通(例如，用于引入氮气的第一气体歧管，和用于引入惰性气体(诸如氩气)的第二气体歧管)；以及(iii)反应性气体源和惰性气体源，这些气体源与混合气体歧管流体连通。在一些实施方案中，反应性气体通过第一气体歧管被引入腔室的一部分中。在一些实施方案中，反应性气体是氮气。在一些实施方案中，惰性气体是氩气。在一些实施方案中，引入的反应性气体与引入的惰性气体的比率在从约9∶1至约1∶1的范围内。在一些实施方案中，反应性气体被添加到溅射室内的整个气氛中。在其他实施方案中，反应性气体被引入溅射室的规定区域上或靶材的特定部分周围的区域。
在一些实施方案中，将含钌材料沉积到衬底上的过程包括，作为第一步，将衬底和靶材(例如钌靶材)引入溅射室中。在一些实施方案中，衬底是金属，例如铝。在其他实施方案中，衬底是预先存在的薄膜，诸如沉积到金属衬底上的薄膜(例如钛膜)。在一些实施方案中，预先存在的薄膜用作含钌材料生长的种子层。在一些实施方案中，预先存在的薄膜可以包括锂或含锂材料。
在一些实施方案中，在沉积期间供应的功率在介于50瓦至约250瓦之间的范围内。在其他实施方案中，在沉积期间供应的功率在介于50瓦至约200瓦之间的范围内。在还有其他实施方案中，在沉积期间供应的功率在介于100瓦至约200瓦之间的范围内。在一些实施方案中，申请人已经发现，随着溅射功率增加，含钌膜(诸如氮化钌膜)的双层电容线性增加(参见图1A)。例如，该双层电容从溅射功率50瓦时的4500uF/cm2增加到溅射功率200瓦时的15000uF/cm2。在一些实施方案中，申请人已经发现，随着溅射功率增加，含钌膜(诸如氮化钌膜)的厚度线性增加(参见图1B)。图1C、图1D和图1E进一步展示了随着溅射功率增加(例如，从50瓦(图1C)增加到100瓦(图1D)，然后增加到200瓦(图1E))，含钌膜的厚度增加。据信，当沉积较厚的膜(与较薄的膜相比)时，双层电容不会劣化。
除此之外，申请人已经发现，随着溅射功率增加(例如，从50瓦(图1F)增加到100瓦(图1G)，然后增加到200瓦(图1H))，该膜的结构改变，例如，随着溅射功率增加(保持溅射室的总压力以及引入的反应性气体和惰性气体的分压力保持恒定)，该结构实际上变得更为柱状。在一些实施方案中，据信树枝状结构相比柱状结构通常紧密度较低且定向较差。
在一些实施方案中，沉积是在氮气的存在下进行的。在一些实施方案中，将氮气以介于约5sccm和约150sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约5sccm和约120sccm之间的速率引入。在还有其他实施方案中，将氮气以介于约5sccm和约100sccm之间的速率引入。在另外的实施方案中，将氮气以介于约5sccm和约90sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约5sccm和约80sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约10sccm和约50sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约10sccm和约20sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约50sccm和约100sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将氮气以介于约80sccm和约100sccm之间的速率引入。在还有其他实施方案中，将氮气以约90sccm的速率引入。
在一些实施方案中，将惰性气体(例如氩气)引入溅射室中。在一些实施方案中，将惰性气体通过与氮气相同的歧管引入(即，使用混合气体歧管)。在其他实施方案中，将惰性气体通过单独的歧管引入，即与用于引入氮气的歧管分开并远离的歧管。在一些实施方案中，将惰性气体以介于约1sccm和约15sccm之间的速率引入。在其他实施方案中，将惰性气体以介于约5sccm和约10sccm之间的速率引入。在还有其他实施方案中，将惰性气体以约5sccm的速率引入。在另外的实施方案中，将惰性气体以约10sccm的速率引入。
在一些实施方案中，将溅射室内的压力保持在介于5毫托和约30毫托之间。在其他实施方案中，将溅射室内的压力保持在介于5毫托和约25毫托之间。在其他实施方案中，将溅射室内的压力保持在介于10毫托和约20毫托之间。在还有其他实施方案中，将溅射室内的压力保持在约10毫托。在还有其他实施方案中，将溅射室内的压力保持在约15毫托。在还有其他实施方案中，将溅射室内的压力保持在约20毫托。
在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约150℃。在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约100℃。在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约80℃。在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约60℃。在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约50℃。在一些实施方案中，将溅射期间的温度保持在从约25℃至约40℃。
在一些实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：在从约2毫托至约30毫托的范围内的总压力，在介于约0sccm至约200sccm之间的范围内的氮气流速，在介于约0sccm和约200sccm之间的范围内的氩气流速，以及在介于约50瓦至约300瓦之间的溅射功率；以及在从约25℃至约150℃的范围内的温度溅射。在一些实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：10毫托的总压力，20sccm的氮气流速，以及100瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：20毫托的总压力，20sccm的氮气流速，以及100瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：10毫托的总压力，90sccm的氮气流速，以及100瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：20毫托的总压力，90sccm的氮气流速，以及100瓦的溅射功率。在一些实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：10毫托的总压力，20sccm的氮气流速，以及200瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：20毫托的总压力，20sccm的氮气流速，以及200瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：10毫托的总压力，90sccm的氮气流速，以及200瓦的溅射功率。在其他实施方案中，沉积包括利用以下处理参数：20毫托的总压力，90sccm的氮气流速，以及200瓦的溅射功率。
申请人已经出乎意料地发现，随着引入的氮气的分压力相对于引入的惰性气体(例如，氩气)的分压力增加，所形成的膜的结构从柱状结构变为树枝状结构。申请人还已经出乎意料地发现，随着引入的氮气的分压力相对于引入的惰性气体的分压力增加，所形成的膜的孔隙度增加。图2A、图2B、图2C和图2D展示了随着引入的氮气的分压力相对于惰性气体的分压力增加(并且其中溅射功率和溅射室内的总压力保持恒定)，孔隙度的增加以及从柱状结构到树枝状结构的变化。具体而言，图2A和图2B根据横截面扫描电子显微镜检查法比较地展示了孔隙度的增加以及从柱状结构到树枝状结构的变化。同样地，图2C和图2D根据自顶向下扫描电子显微镜检查法比较地展示了孔隙度的增加以及从柱状结构到树枝状结构的变化。
除此之外，申请人已经出乎意料地发现，随着溅射室的总压力增加，例如，从10毫托增加到20毫托，膜的树枝状结构进一步增加，伴随膜孔隙度增加(参见图2E、图2F、图2G和图2H)。不希望受任何特定理论的束缚，据信由钌和氮形成氮化钌并不是在能量上有利的过程。在一些实施方案中，在20毫托处的较高氮气分压力(相对于在较低的总压力处，诸如在10毫托处)有利于氮化钌的形成。在一些实施方案中，据信这允许形成更为树枝状的结构和/或具有更高孔隙度的结构。例如，图2E和图2F比较了两个膜的横截面(基于扫描电子显微镜检查法)，其中当总压力从10毫托增加到20毫托时，观察到结构的树枝状性质增加。图2G和图2H展示了相同的两个膜的自顶向下视图，再次展示了在总压力增加之后膜的结构的树枝状性质的增加。
在一些实施方案中，沉积的含钌膜包含按重量计介于约1％至约20％之间的氮。在其他实施方案中，沉积的含钌膜包含按重量计介于约5％至约15％之间的氮。在其他实施方案中，沉积的含钌膜包含按重量计介于约10％至约15％之间的氮。申请人已经发现，在低氮气流速处，例如在20sccm的流速处，沉积膜的主体包含钌，且构成膜的氮少于5％(参见图3A)。然而，随着氮气流速增加，例如增加到90sccm的流速，尽管沉积膜的主体仍包含钌，但据信氮量增加到约15％(参见图3B)。
在一些实施方案中，所形成的含钌膜的双层电容在介于约170pF/um2至约220pF/um2之间的范围内。在其他实施方案中，所形成的含钌膜的双层电容在介于约180pF/um2至约220pF/um2之间的范围内。在其他实施方案中，所形成的含钌膜的双层电容在介于约180pF/um2至约200pF/um2之间的范围内。
在将含钌膜沉积到衬底上之后，可以对该含钌膜进行热处理。在一些实施方案中，热处理步骤包括在介于120℃至约400℃之间的范围内的温度烘烤含钌膜。在其他实施方案中，热处理步骤包括在介于150℃至约350℃之间的范围内的温度烘烤含钌膜。在其他实施方案中，热处理步骤包括在介于150℃至约300℃之间的范围内的温度烘烤含钌膜。在其他实施方案中，热处理步骤包括在介于150℃至约250℃之间的范围内的温度烘烤含钌膜。在其他实施方案中，热处理步骤包括在介于180℃至约200℃之间的范围内的温度烘烤含钌膜。在还有其他实施方案中，该热过程在约200℃的温度进行。温度对四个含钌膜的形态的影响示于图4A(150℃)、图4B(200℃)、图4℃(260℃)和图4D(320℃)中。值得注意的是，在约150℃的温度的热处理提供了示出约55％原子氧和约45％原子氮的表面。相比之下，在随后较高的温度(例如260℃和320℃)处的热处理示出氧原子百分比增大且氮原子百分比减小。在一些实施方案中，热处理在一定温度进行一定时间段，使得与未经处理的含钌材料相比，经热处理的材料的双层电容增加。在一些实施方案中，双层电容的增加百分比在介于约110％至约160％之间的范围内(参见例如图5A)。在一些实施方案中，该增加百分比在介于约120％至约150％之间的范围内。在一些实施方案中，热处理在高于140℃的温度进行足够长的时间段(例如15分钟至120分钟)，使得该材料的双层电容在介于约200pF/um2至约320pF/um2之间的范围内。在其他实施方案中，经热处理的含钌膜的双层电容在从约200pF/um2至约300pF/um2的范围内。在其他实施方案中，经热处理的含钌膜的双层电容在从约200pF/um2至约280pF/um2的范围内。在其他实施方案中，经热处理的含钌膜的双层电容在从约200pF/um2至约260pF/um2的范围内。在其他实施方案中，经热处理的含钌膜的双层电容在从约220pF/um2至约240pF/um2的范围内。
在一些实施方案中，热处理之后的含钌材料包含钌、氧和氮。在一些实施方案中，后处理中掺入到含钌材料中的氧的量取决于膜生长期间引入的氮的量。例如，那些包含大量氮(例如约15％)的膜在热处理时掺入的氧比那些具有少量氮(例如约5％)的膜少。图3C比较了对具有低初始氮量的含钌膜进行热处理之前和之后的能量色散X射线光谱(EDS)数据(将图3C与图3A进行比较，后者展示了热处理之前的光谱)。另一方面，图3D比较了对具有高初始氮量的含钌膜进行热处理之前和之后的EDS数据(将图3D与图3B进行比较，后者展示了热处理之前的光谱)。
在一些实施方案中，经热处理的含钌膜具有通过X射线光电子能谱法(XPS)测量的在介于约1.5至约3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。在其他实施方案中，表面组成比在介于约1.8至约3.2之间的范围内。在还有其他实施方案中，表面组成比在介于约2至约3之间的范围内。在甚至另外的实施方案中，表面组成比在介于约2至约2.5之间的范围内。在还有另外的实施方案中，表面组成比在介于约2.1至约2.4之间的范围内。
下表1汇总了四种不同经热处理样品的(XPS)数据(参见图6A至图6D)。在样品1、2和3中，据信氮主要是氮化物的形式，具有较少量的氮氧化物。相比之下，样品4的N1s光谱的氮化物组分比样品1、2和3的表面的氮化物组分弱。另一方面，XPS数据示出，氧主要以氧化钌、氢氧化物和氮氧化物的形式存在。据信，氧化物对具有较高退火温度的样品的相对贡献通常较高，而氮氧化物、并且可能氢氧化物对具有较低退火温度的样品具有较大的贡献。图5B和图5C进一步展示了一种特定样品的钌、氮和氧的相对量随退火温度的变化(使用以200瓦、20毫托、10sccm氩气和90sccm氮气沉积的样品)。
表1：热处理后四种不同的含钌样品的XPS表面组分分析。
样品 C N O Si Ru (N+O)/Ru
1号样品150℃/5min 49.7 15.0 17.4 _ 17.9 1.81
2号样品200℃/5min 48.2 9.7 25.4 _ 16.6 2.11
3号样品260℃/5min 48.2 5.2 31.3 _ 15.3 2.39
4号样品320℃/5min 56.9 2.0 29.4 1.9 9.7 3.2
纳米孔测序概述
多核苷酸(例如DNA或RNA)的纳米孔测序可以通过对多核苷酸序列的链测序和/或外显子测序来实现。在一些实施方案中，链测序包括在多核苷酸模板的核苷酸穿过纳米孔时直接确定样品多核苷酸链的核苷酸碱基的方法。在一些实施方案中，多核苷酸可以通过将其穿过隔膜中的微孔来测序。碱基可以通过它们影响离子从隔膜的一侧流过该孔到达另一侧的方式来识别。在一些实施方案中，一种蛋白质分子可以将DNA螺旋“解压缩”成两条链。第二种蛋白质可以在隔膜中产生孔并且保持“衔接子”分子。穿过孔的离子流可以产生电流，由此每个碱基都可以不同程度地阻挡离子流，从而改变电流。衔接子分子可以将碱基保持在适当位置足够长的时间，以便它们可以通过电子方式识别(参见PCT公布号WO/2018/034745，以及美国专利申请公布号2018/0044725和2018/0201992，这些公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文)。在一些实施方案中，可以根据Oxford Nanopore(Oxford，UK)、Illumina(San Diego，Calif.)的基于解旋酶和核酸外切酶的方法或者StratosGenomics(Seattle，Wash.)的纳米孔扩增测序方法执行测序。
在一些实施方案中，纳米孔可以用于间接地对核酸分子进行测序，即间接测序可以包括其中聚合的核酸分子在测序期间不穿过纳米孔的任何方法。在这些实施方案中，核酸分子可以至少部分地位于纳米孔的前腔中，但不位于纳米孔的孔(即，最窄的部分)中。核酸分子可以在距纳米孔和/或接近纳米孔的任何合适的距离内通过，并且任选地在一定距离内通过，使得在纳米孔中检测到从核苷酸掺入事件释放的副产物(例如，如下所述从带标签的核苷酸切割的标签)。
在一些实施方案中，基于纳米孔的测序利用了酶，诸如位于纳米孔附近的酶，该酶将核苷酸掺入到正在生长的多核苷酸链中，其中该正在生长的多核苷酸链与对应的模板核酸链互补。核苷酸掺入事件是由酶诸如DNA聚合酶或者其任何突变体或变体催化的，并且使用与模板分子的碱基对相互作用来选择可用于在每个位置处掺入的核苷酸。“核苷酸掺入事件”是指核苷酸掺入到正在生长的多核苷酸链中。核苷酸掺入事件的副产物可以通过纳米孔来检测。在一些实施方案中，副产物可以与掺入给定类型的核苷酸相关。在一些实施方案中，副产物穿过纳米孔和/或生成在纳米孔中可检测的信号。释放的标签分子(如下所述)是核苷酸掺入事件的副产物的示例。举例来说，图8描绘了紧靠纳米孔(130)结合的DNA聚合酶(120)。将待测序的多核苷酸模板(170)连同引物一起添加(模板与酶缔合)。向该纳米孔测序复合物(包括引物)中添加四种以不同方式带标签的核苷酸(140)，添加到水相主体中。在聚合酶催化下掺入正确的核苷酸之后，标签将被释放并且穿过纳米孔(130)以生成独特的离子电流阻断信号(150)，从而通过电子方式识别添加的碱基，因为这些标签中的每一个都具有不同的化学结构。与此类基于纳米孔的测序系统和方法有关的附加细节在美国专利号9,605,309和9,557,294中有所描述，这些专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，用于对核酸分子进行测序的方法包括：(a)聚合带标签的核苷酸(例如，使用以第一核酸分子为模板，一次掺入一个带标签核苷酸的酶)，其中与单个核苷酸相关联的标签在聚合时释放，以及(b)借助纳米孔检测释放的标签。在一些实施方案中，酶从带标签核苷酸的库中提取。如本文所指出的，每种类型的核苷酸均偶联到不同的标签分子，使得当标签被释放并且在纳米孔附近经过或穿过纳米孔时，可以基于所生成的信号将它们彼此区分开(参见例如图8)。在一些实施方案中，每个标签都可以具有不同的可检测信号，例如不同的信号强度、不同的信号幅度等，这些可以诸如通过碱基调用算法来解释。
在一些实施方案中，掺入的核苷酸是带标签的核苷酸。带标签的核苷酸的示例在美国专利申请公布号2015/0368710和2018/0073071中有所描述，这些公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文(还可参见Kumar等人，PEG-Labeled Nucleotides and NanoporeDetection for Single Molecule DNA Sequencing by Synthesis，Sci Rep.2012；2：684)。在一些实施方案中，核苷酸掺入事件从带标签的核苷酸释放标签，其中检测到释放的标签(参见图8)。通过这种方式，可以识别所掺入的碱基(即，A、C、G、T或U)，因为从每种类型的核苷酸(即，A、C、G、T或U)释放了独特的标签。
在一些实施方案中，释放的标签流过纳米孔或紧靠纳米孔流动，使得感测电路在该标签穿过纳米孔或在纳米孔附近经过时检测与该标签相关联的电信号(参见图8)。可以收集检测到的信号(即测序数据)并且将其存储在存储器位置中，稍后用于构建核酸的序列。可以处理所收集的信号以解决检测到的信号中的任何异常，诸如错误。合适的纳米孔检测器在美国专利申请公布号2011/0193570和2018/0073071中有所描述，这些公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。同样地，美国专利号9,377,437和8,324,914描述了来自基于纳米孔的测序系统的电信号的收集和分析，这些专利的公开内容据此也全文以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，偶联或以其他方式缀合至纳米孔的酶包括多核苷酸加工酶，例如DNA聚合酶和RNA聚合酶、逆转录酶、核酸外切酶和解折叠酶。在一些实施方案中，酶是解旋酶。在一些实施方案中，酶可以是野生型酶，或者可以是野生型酶的变体形式。在一些实施方案中，酶是聚合酶变体。例如，聚合酶变体可以在对应于SEQ ID NO：2(Pol6(带His标签))的H223、N224、Y225、H227、I295、Y342、T343、I357、S360、L361、I363、S365Q、S366、Y367、P368、D417、E475、Y476、F478、K518、H527、T529、M531、N535、G539、P542、N545、Q546、A547、L549、I550、N552、G553、F558、A596、G603、A610、V615、Y622、C623、D624、I628、Y629、R632、N635、M641、A643、I644、T647、I648、T651、I652、K655、W656、D657、V658、H660、F662和L690的位置处包括至少一个改变。其他合适的聚合酶变体在美国专利申请公布号2016/0222363中公开，该公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。还有其他合适的酶在美国专利号9,797,009中公开，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。甚至另外的合适的酶在美国专利申请公布号2016/0257942中公开。
在一些实施方案中，纳米孔测序复合物的纳米孔包括但不限于生物纳米孔、固态纳米孔和杂合生物-固态纳米孔。纳米孔测序复合物的生物纳米孔包括来自大肠杆菌菌种(E.coli，sp.)、沙门氏菌属菌种(Salmonella sp.)、志贺氏菌属菌种(Shigella sp.)和假单胞菌属菌种(Pseudomonas sp.)的OmpG，以及来自金黄色葡萄球菌菌种(aureus sp.)的α溶血素，来自耻垢分枝杆菌菌种(M.smegmatis sp.)的MspA。纳米孔可以是野生型纳米孔、变体纳米孔，或经修饰的变体纳米孔。参见例如美国专利申请公布号2017/0088588，该公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。在一些实施方案中，将纳米孔测序复合物的变体纳米孔工程化以降低衍生该变体纳米孔的亲本纳米孔的离子电流噪声。还有其他纳米孔在美国专利申请公布号2017/0268052、2017/0356037和2018/0201993中有所描述，这些公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。现在已知或以后发现的任何纳米孔变体都可以根据本文所述的方法进行筛选，诸如与一种或多种酶变体的筛选同时进行(例如，以识别提供期望性质的纳米孔变体和酶变体对)。
纳米孔可以形成或以其他方式嵌入与感测电路(诸如集成电路)的感测电极相邻设置的隔膜中。集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。在一些示例中，集成电路是场效应晶体管或互补金属氧化物半导体(CMOS)。感测电路可以位于具有纳米孔的芯片或其他装置中，或者位于该芯片或装置之外，诸如以芯片外配置。该半导体可以是任何半导体，其包括但不限于IV族半导体(例如，硅)和III-V族半导体(例如，砷化镓)。用于组装纳米孔测序复合物的方法在美国专利申请公布号2017/0268052中有所描述，该公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。用于将不同模板中的每个模板复合到纳米孔-酶缀合物的其他合适方法包括在PCT公布号WO2014/074727、WO2006/028508和WO2012/083249中描述的那些方法，每个公布的公开内容均据此全文以引用方式并入本文。
用于对核酸样品进行测序的芯片可以包括多个可单独寻址的纳米孔。所述多个可单独寻址的纳米孔可以包含至少一个形成在与集成电路相邻设置的隔膜中的纳米孔。在一些实施方案中，每个可单独寻址的纳米孔都可以能够检测与单个核苷酸相关联的标签。
多个纳米孔传感器可以作为阵列提供，这些阵列诸如存在于芯片或生物芯片上的阵列。纳米孔阵列可以具有任何合适数量的纳米孔。在一些情况下，阵列包括约200、约400、约600、约800、约1000、约1500、约2000、约3000、约4000、约5000、约10000、约15000、约20000、约40000、约60000、约80000、约100000、约200000、约400000、约600000、约800000、约1000000等个纳米孔。生物芯片和用于制作生物芯片的方法在PCT公布号WO2015/061511中有所描述，该公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。包含多个纳米孔的另外的合适生物芯片在美国专利申请公布号2017/0268052中有所描述，该公布的公开内容据此全文以引用方式并入本文。还有另外的合适纳米孔阵列在美国专利号8,986,928中有所描述，该专利的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
纳米孔测序单元和电路
本公开还涉及包括电极或工作电极的纳米孔测序单元、芯片和/或纳米孔测序装置，该电极或工作电极包含具有至少300pF/um2的双层电容的材料。申请人已经出乎意料地发现，与具有较低双层电容的现有技术材料(例如，氮化钛材料)相比，使用这种材料有助于改善信号衰减速率。实际上，据信具有高双层电容的材料(例如含钌材料)与具有相对较低双层电容的那些材料(例如氮化钛)相比信号衰减更快(参见图7A至图7C)。将不同类型的标签保持在纳米孔的桶身内时，改善的信号衰减速率允许实现更好的信号分辨率。据信，测序装置内包括的电路在数据收集期间工作，在双分子层中的纳米孔两端将存在电压降，并且在电极/电解质界面处的电双层电容两端将存在电压降。据信，较高的双电层电容允许信号更快衰减(半衰期较短)(参见图7A至图7C)。由于具有不同标签的核苷酸(A、T、C、G)可以基于所施加的波形V穿入纳米孔，因此据信，信号的快速衰减允许对应于标签(A、T、C、G)的不同信号水平的更好的分辨率。在一些实施方案中，这些标签被设计成使得它们以不同的方式对孔进行阻挡，从而允许获取不同的信号。
图9展示了基于纳米孔的测序芯片中的单元160的一个实施方案。在一些实施方案中，隔膜102在单元的表面之上形成。在一些实施方案中，隔膜102是脂质双分子层。含有蛋白质纳米孔跨膜分子复合物(PNTMC)和感兴趣分析物的主体电解质114被直接放置到该单元的表面上。在一些实施方案中，单个PNTMC 104通过电穿孔插入隔膜102中。在一些实施方案中，阵列中的各个隔膜彼此既不化学连接也不电连接。因此，阵列中的每个单元都是独立的测序仪，从而产生单个聚合物分子所特有的与PNTMC相关联的数据。在一些实施方案中，PNTMC 104对分析物起作用，并且调节通过原本不可透过的双分子层的离子电流。
继续参考图9，模拟测量电路112连接到由电解质薄膜108覆盖的金属电极170(例如，由钌、氧和氮组成的电极)。在一些实施方案中，电解质薄膜108由离子不可透过的隔膜102与主体电解质114隔离。PNTMC 104穿过隔膜102，并且为离子电流从主体液体流动至工作电极170提供唯一路径。在一些实施方案中，该单元还包括反电极(CE)116，该反电极是电化学电位传感器。在一些实施方案中，该单元还包括参考电极117。
图10A至图10D展示了基于纳米孔的测序芯片的单元中的电路的一个实施方案，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段期间变化。当纳米孔的桶身中不存在附接标签的多磷酸盐时，纳米孔的一种可能状态是开放通道状态。纳米孔的另外四种可能状态对应于四种不同类型的附接标签的多磷酸盐(A、T、G或C)被保持在纳米孔的桶身中时的状态。纳米孔的又一种可能状态是隔膜破裂时的状态。图10B至图10C展示了基于纳米孔的测序芯片的单元中的电路的附加实施方案，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段期间变化。
图10A至图10D进一步展示了插入隔膜中的纳米孔，其中纳米孔和隔膜位于工作电极(Vpre)和反电极(Vliq)之间，使得可以跨纳米孔施加电压。在一些实施方案中，纳米孔还与主体液体/电解质接触。如本文所用，术语“单元”意味着至少包括隔膜、纳米孔、工作单元电极和相关联电路。在一些实施方案中，反电极(Vliq)在多个单元之间共享，因此也被称为公共电极。在一些实施方案中，公共电极可以被配置为向与测量单元中的纳米孔接触的主体液体施加公共电位。在一些实施方案中，公共电位和公共电极是所有测量单元共用的。在一些实施方案中，每个测量单元内都存在工作电极；与公共电极相反，工作单元电极可配置为施加与其他测量单元中的工作单元电极无关的不同电位。
如图10A至图10D进一步展示，该电路包括电容器(NCAP)和电阻器，该电容器对与隔膜相关联的电容(C双分子层)进行建模，并且该电阻对与处于不同状态(例如，开放通道状态或者对应于在纳米孔内具有不同类型的标签或分子的状态)的纳米孔相关联的电阻进行建模。该电路包括电容器，该电容器对与工作电极相关联的电容进行建模。与工作电极相关联的电容也被称为电化学电容(C双层)。与工作电极相关联的电化学电容C双层包括双层电容，并且还可以包括赝电容。
图11A展示了在导电电极和相邻液体电解质之间的任何界面处形成的双层。如果施加电压，则在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处，电荷(正电荷或负电荷)积聚在电极中。电极中的电荷通过偶极子的重新定向和界面附近电解质中相反电荷的离子的积聚来平衡。由于电解质中的带电物质和溶剂分子的尺寸有限，电荷在电极和电解质之间的界面的任一侧上的积聚(分开一小段距离)在常规电容器中起到电介质的作用。术语“双层”是指在电极和电解质之间的界面附近的电子电荷分布和离子电荷分布的集合。
图11B展示了可以在形成如图10A至图10D中的双层的同时在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处形成的赝电容效应。赝电容器通过电极和电解质之间的电子电荷转移来以法拉第方式储存电能。这是通过电吸附、还原-氧化反应或嵌入过程完成的。
图12展示了用于分析纳米孔内部的分子的过程800的一个实施方案，其中该纳米孔插入隔膜中。过程800可以使用图10A至图10D所示的电路来执行。图13展示了当过程800被执行并且重复三次时跨纳米孔施加的电压相对于时间的图线的一个实施方案。在一些实施方案中，跨纳米孔的电压随时间推移而变化。电压衰减的速率(即，跨纳米孔的电压相对于时间的图线的斜率陡度)取决于单元电阻。更特别地，由于与处于不同状态(例如，与纳米孔内具有不同类型的分子相对应的状态)的纳米孔相关联的电阻由于分子的不同化学结构而不同，所以不同的对应电压衰减速率可以被观察到，并且因此可以用于识别纳米孔中的分子。
图14展示了当纳米孔处于不同状态时跨纳米孔施加的电压相对于时间的图线。曲线1002示出了在开放通道状态期间的电压衰减速率。在一些实施方案中，与处于开放通道状态的纳米孔相关联的电阻在100Mohm至20Gohm的范围内。曲线1004、1006、1008和1010示出了当四种不同类型的附接标签的多磷酸盐(A、T、G或C)被保持在纳米孔的桶身中时与四种捕获状态相对应的不同电压衰减速率。在一些实施方案中，与处于捕获状态的纳米孔相关联的电阻在200Mohm至40Gohm的范围内。在一些实施方案中，这些图线中的每条图线的斜率可彼此区分。
基于纳米孔的测序芯片的提高的单元性能可以通过最大化与工作电极相关联的电化学电容(参见图10A至图10D的C双层)来实现。在一些实施方案中，通过最大化C双层，由图10A至图10D所示的电路测量的信息信号更稳定，并且在该信息信号之上旋绕的寄生信号被最小化。在一些实施方案中，C双层被最大化，使得与C双分子层(参见图10A至图10D的C双分子层)相关联的阻抗相比，与C双层相关联的阻抗接近于AC(交流)短路。
图15展示了基于纳米孔的测序芯片的电化学单元1100的一个实施方案，其包括具有与TiN相比增加的电化学电容的工作电极。在一些实施方案中，具有与TiN相比增加的电化学电容的工作电极是包含钌、氧和氮中的至少两者的材料。在一些实施方案中，该材料包括氮化钌、氮氧化钌、氧化钌，或者它们的任何复合物或混合物。与具有77pF/um2的双层电容的TiN相比，本公开的含钌材料具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容。这表示含钌材料的双层电容与TiN材料相比至少增加4倍。如本文进一步详细指出的，含钌工作电极可以以具有期望性质的方式形成，这些期望性质包括高双层电容、高孔隙度、面心立方结构和/或树枝状结构。实际上，可以通过改变含钌材料的沉积参数来调节这些性质。在一些实施方案中，如下所述，含钌材料的多孔结构产生与电解质接触的大的有效表面积(还可参见图2F和图2H)。
在一些实施方案中，单元1100包括导电层或金属层1101。金属层1101将单元1100连接到基于纳米孔的测序芯片的其余部分。在一些实施方案中，金属层1101是铝或铝合金。单元1100还包括在金属层1101上方的由含钌材料组成的工作电极1102，以及电介质层1103。在一些实施方案中，工作电极1102为圆形或八边形，并且电介质层1103形成围绕工作电极1102的壁。单元1100还包括在工作电极1102和电介质层1103上方的电介质层1104。在一些实施方案中，电介质层1104形成围绕阱1105的绝缘壁。在一些实施方案中，电介质层1103和电介质层1104一起形成单片电介质。在一些实施方案中，电介质层1103是在水平方向上邻近工作电极1102设置的部分，并且电介质层1104是设置在工作电极的一部分上方并覆盖工作电极的一部分的部分。在一些实施方案中，电介质层1103和电介质层1104是分开的电介质件，并且它们可以单独生长。阱1105在工作电极的未覆盖部分上方具有开口。
在阱1105的内部，盐溶液/电解质膜1106沉积在工作电极1102上方。盐溶液1106可以包括以下项中的一者：氯化锂(LiCl)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙(CaCl2)、氯化锶(SrCl2)、氯化锰(MnCl2)和氯化镁(MgCl2)。在一些实施方案中，盐溶液膜1106具有约三微米(μm)的厚度。盐溶液膜1106的厚度可以在从0微米至5微米的范围内。
用于形成电介质层1103和1104的电介质材料包括玻璃、氧化物、一氮化硅(SiN)等。电介质层1104的顶表面可以硅烷化。硅烷化在电介质层1104的顶表面之上形成疏水层1120。在一些实施方案中，疏水层1120具有约1.5纳米(nm)的厚度。替代性地，可以使用疏水的电介质材料(诸如氧化铪)来形成电介质层1104。
如图15所示，隔膜在电介质层1104之上形成并且跨过阱1105。例如，该隔膜包括形成在疏水层1120之上的脂质单分子层1118，并且当该隔膜到达阱1105的开口时，脂质单分子层转变为跨过阱的开口的脂质双分子层1114。疏水层1120有助于脂质单分子层1118在电介质层1104上方形成以及从脂质单分子层转变为脂质双分子层。含有蛋白质纳米孔跨膜分子复合物(PNTMC)和感兴趣分析物的主体电解质1108被直接放置在阱的上方。单个PNTMC/纳米孔1116通过电穿孔插入脂质双分子层1114中。纳米孔1116穿过脂质双分子层1114，并且为从主体电解质1108至工作电极1102的离子流动提供唯一路径。主体电解质1108还可以包括以下项中的一者：氯化锂(LiCl)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙(CaCl2)、氯化锶(SrCl2)、氯化锰(MnCl2)和氯化镁(MgCl2)。
单元1100包括反电极(CE)1110。单元1100还包括参考电极1112，该参考电极充当电化学电位传感器。在一些实施方案中，反电极1110在多个单元之间共享，因此也被称为公共电极。公共电极可以被配置为向与测量单元中的纳米孔接触的主体液体施加公共电位。公共电位和公共电极是所有测量单元共用的。
图16A至图16E展示了根据本公开的一些实施方案的形成工作电极的方法。在第一步中，将电介质层(例如SiO2)沉积在导电层(例如包含金属铝的金属层6)的表面上。导电层本身可以包括将信号从单元递送到芯片其余部分的电路。在一些实施方案中，电介质层的厚度可以在介于约400nm至约800nm之间的范围内。在一些实施方案中，蚀刻电介质层以产生洞，从而暴露金属层的表面。该洞提供了用于沉积或以其他方式生长含钌膜的空间。在一些实施方案中，可以使用如本文所述的溅射过程或物理气相沉积过程将含钌膜沉积到该洞中，即沉积在暴露的金属层的表面上。图16A展示了与金属层连接的经蚀刻的电介质层。
接下来，将含钌薄膜沉积到暴露的金属层的表面上的洞中。在一些实施方案中，提供了具有在介于约180pF/um2至约320pF/um2之间的范围内的双层电容的含钌膜。该钌薄膜的沉积可以根据本文所述的任何过程来执行。例如，该含钌薄膜可以通过使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者来沉积，其中溅射沉积或等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于约10sccm和100sccm之间的流速引入所述沉积室中，以及(ii)将氩气以约10sccm的流速引入所述沉积室中，并且其中在沉积期间将沉积室内的沉积压力保持在介于约5毫托至约25毫托之间，并且其中沉积使用在从约50瓦至约200瓦的范围内的功率执行。在一些实施方案中，该钌薄膜生长的时段在介于约1小时至约2小时的范围内。在一些实施方案中，该含钌薄膜的厚度在介于约500nm至约1000nm之间的范围内。在一些实施方案中，如图16B所展示，钌薄膜填充该洞并且还至少部分地覆盖氧化物层。
在一些实施方案中，在沉积含钌薄膜之前，首先将种子层引入到金属层的暴露表面上。在一些实施方案中，种子层包含金属，诸如钛。在一些实施方案中，任何种子层的厚度均在介于约15nm至约30nm之间的范围内。在一些实施方案中，将种子层溅射沉积。
在沉积含钌薄膜之后，沉积覆盖层，诸如由SiO2组成的电介质覆盖层或由钛组成的金属覆盖层。在一些实施方案中，该覆盖层用来在进一步的处理步骤期间保护含钌薄膜。在一些实施方案中，可以通过化学气相沉积、溅射沉积或物理气相沉积来沉积该覆盖层。图16C展示了在沉积覆盖层之后的中间电极。
最后，为了在生物芯片中将一个电极与另一个电极隔离，采用了光刻技术。例如，可以将抗蚀剂沉积到覆盖层上，由此暴露出覆盖层的一部分，然后将抗蚀剂显影。用显影剂将没有曝光的抗蚀剂图案显影掉。然后，使用等离子体蚀刻过程或者使用利用Cl2、BCl3或其他氯基试剂的蚀刻化学来对单元进行蚀刻。钌可与氯和氧发生反应，以形成挥发性的RuCl产物和/或RuO产物，这些产物可以在溅射室内被抽走。包括覆盖层的最终图案化电极的一个示例在图16D中展示。
本说明书中提及的和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物均全文以引用方式并入本文。如果必须采用各种专利、申请和公布的概念来提供另外的实施方案，则可以对实施方案的各方面进行修改。
尽管已经参考多个说明性实施方案描述了本公开，但是应当理解，本领域技术人员可以设计出许多其他修改和实施方案，它们将落入本公开原理的实质和范围内。更特别地，在前述公开内容、附图和所附权利要求书的范围内，主题组合布置的组成部分和/或布置中的合理变化和修改是可能的，而不脱离本公开的实质。除了组成部分和/或布置的变化和修改之外，替代性的用途对于本领域技术人员也将是显而易见的。
当特征或要素在本文中被称为在另一特征或要素“上”时，它可以直接在另一特征或要素上，或者也可以存在中间特征和/或要素。相反，当特征或要素被称为“直接在”另一特征或要素“上”时，则不存在中间特征或要素。还将理解，当特征或要素被称为“连接”、“附接”或“耦接”至另一特征或要素时，它可以直接连接、附接或耦接至另一特征或要素，或者可以存在中间特征或要素。相反，当特征或要素被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦接”至另一特征或要素时，则不存在中间特征或要素。尽管对于一个实施方案进行了描述或示出，但是如此描述或示出的特征和要素可以应用于其他实施方案。本领域的技术人员还将认识到，提及与另一特征“相邻”设置的结构或特征可以具有与相邻特征重叠或位于其之下的部分。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，而并非旨在限制本发明。例如，如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。还将进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其指定了所规定的特征、步骤、操作、要素和/或组分的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、要素、组分和/或它们的组。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一者或多者的任何组合和所有组合，并且可以缩写为“/”。
为了便于描述，在本文中可以使用空间上相对的术语，诸如“下方”、“下面”、“低于”、“上方”、“上面”等，以描述一个要素或特征与另外的要素或特征的关系，如附图中所展示。应当理解，除了附图中描绘的取向之外，空间上相对的术语还旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置是倒置的，则描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素于是将定向为在其他要素或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖“上方”和“下方”这两个取向。可以以其他方式定向该装置(旋转90度或以其他取向)，并且据此解释本文所用的空间上相对的描述语。类似地，除非另外具体地指出，否则“向上”、“向下”、“垂直的”、“水平的”等术语在本文中仅用于解释的目的。
尽管本文可以使用术语“第一”和“第二”来描述各种特征/要素(包括步骤)，但是除非上下文另外指出，否则这些特征/要素不应受这些术语的限制。这些术语可以用于将一个特征/要素与另一个特征/要素区分开。因此，在不脱离本发明的教导内容的情况下，下面讨论的第一特征/要素可以被称为第二特征/要素，并且类似地，下面讨论的第二特征/要素可以被称为第一特征/要素。
在整个本说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另外要求，否则词语“包括”和诸如“包含”和“含有”的变型意味着可以在方法和物品(例如，组合物以及包括装置和方法的设备)中共同采用各种组分。例如，术语“包括”将被理解为暗示包括任何所规定的要素或步骤，但是不排除任何其他要素或步骤。
如本文在说明书和权利要求书中所用，包括如在示例中所用，并且除非另外明确地指定，否则所有数字都可以被解读为好像前面有词语“约”或“大约”，即使该术语没有明确地出现。当描述幅度和/或位置时，可以使用短语“约”或“大约”来指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可以具有为规定值(或值的范围)的+/-0.1％、规定值(或值的范围)的+/-1％、规定值(或值的范围)的+/-2％、规定值(或值的范围)的+/-5％、规定值(或值的范围)的+/-10％等的值。除非上下文另外指出，否则本文给出的任何数值也应当被理解为包括约或大约该值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。本文叙述的任何数值范围旨在包括其中所包含的所有子范围。还应当理解，如本领域技术人员适当理解的那样，当公开了某个值时，则还公开了“小于或等于”该值、“大于或等于该值”以及值之间的可能范围。例如，如果公开了值“X”，则还公开了“小于或等于X”以及“大于或等于X”(例如，在X是数值的情况下)。还应当理解，在整个本申请中，数据以多种不同格式提供，并且该数据表示端点和起点以及数据点的任何组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应当理解，大于、大于或等于、小于、小于或等于、等于10和15以及介于10和15之间的值被认为是公开的。还应当理解，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。
尽管上面描述了各种说明性实施方案，但是在不脱离如权利要求书所描述的本发明范围的情况下，可以对各种实施方案进行多种改变中的任一种。例如，在替代性实施方案中，可以经常改变执行所描述的各种方法步骤的顺序，而在其他替代性实施方案中，可以完全跳过一个或多个方法步骤。在一些实施方案中，可以包括各种装置和系统实施方案的任选特征，而在其他实施方案中可以不包括。因此，前面的描述主要是为示例性目的而提供的，并且不应当解释为限制在权利要求书中阐述的本发明范围。
本文所包括的示例和图示以图示而非限制的方式示出了其中可以实践本主题的具体实施方案。如所提及的，可以利用其他实施方案并且从中得出其他实施方案，使得可以在不脱离本公开范围的情况下进行结构上和逻辑上的代替和改变。本发明主题的这些实施方案在本文可以单独或共同地由术语“本发明”来指代，这仅仅是为了方便，而并非要在实际上公开了多于一个本发明构思的情况下将本申请的范围主动限制于任何单个本发明构思。因此，尽管本文已经展示和描述了具体实施方案，但是为实现相同目的而计算的任何布置可以代替所示的具体实施方案。本公开旨在覆盖各种实施方案的任何和所有的修改或变型。在回顾以上描述之后，以上实施方案的组合以及本文未明确描述的其他实施方案对于本领域的技术人员将是显而易见的。

Claims (82)

1.一种纳米孔测序装置，其包括：(i)由含钌材料组成的电极；以及(ii)和参考电极或反电极中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
3.根据权利要求1所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
4.根据权利要求3所述的纳米孔测序装置，其中所述表面组成比在从1.8至3.0的范围内。
5.根据权利要求3所述的纳米孔测序装置，其中所述表面组成比在从2至2.5的范围内。
6.根据权利要求1所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
7.根据权利要求6所述的纳米孔测序装置，其中所述电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
8.根据权利要求1所述的纳米孔测序装置，其还包括设置在所述电极的表面上的电介质材料。
9.一种包括多个可单独寻址的纳米孔的芯片，其中每个可单独寻址的纳米孔与由含钌材料组成的工作电极流体连通。
10.根据权利要求9所述的芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
11.根据权利要求9所述的芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
12.根据权利要求11所述的芯片，其中所述表面组成比在从1.8至3.0的范围内。
13.根据权利要求11所述的芯片，其中所述表面组成比在从2至2.5的范围内。
14.根据权利要求9所述的芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
15.根据权利要求9所述的芯片，其中所述工作电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
16.一种纳米孔测序装置，其包括根据权利要求9至15中任一项所述的芯片。
17.一种纳米孔测序装置，其包括：工作电极，所述工作电极由含钌材料组成；和电介质层，其中所述电介质层的一部分与所述工作电极水平相邻设置，并且所述电介质层的一部分设置在所述工作电极的一部分上方并且覆盖所述工作电极的所述部分，并且其中所述电介质层在所述工作电极的未覆盖部分上方形成具有开口的阱。
18.根据权利要求17所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
19.根据权利要求17所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
20.根据权利要求19所述的纳米孔测序装置，其中所述表面组成比在从1.8至3.0的范围内。
21.根据权利要求19所述的纳米孔测序装置，其中所述表面组成比在从2至2.5的范围内。
22.根据权利要求17所述的纳米孔测序装置，其中所述含钌材料的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
23.根据权利要求22所述的纳米孔测序装置，其中所述电极包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的纳米孔测序装置，其还包括在所述电介质层上方的表面，并且其中隔膜能够在所述表面之上形成并且跨过所述工作电极的所述未覆盖部分上方的所述阱的所述开口。
25.根据权利要求24所述的纳米孔测序装置，其中所述工作电极的基部表面积大于所述工作电极的所述未覆盖部分上方的所述开口的基部表面积。
26.一种根据以下过程制备的含钌膜：使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者，其中所述溅射沉积或所述等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以10sccm的流速引入所述沉积室中，并且其中在所述沉积期间将所述沉积室内的沉积压力保持在介于5毫托至25毫托之间，并且其中所述沉积使用在从50瓦至250瓦的范围内的功率执行。
27.根据权利要求26所述的含钌膜，其中所述沉积过程在室温进行。
28.根据权利要求26所述的含钌膜，所述含钌膜具有在介于180pF/um2至220pF/um2之间的范围内的双层电容。
29.根据权利要求26所述的含钌膜，其中所述过程还包括在大于120℃的温度加热所沉积的含钌膜。
30.根据权利要求29所述的含钌膜，其中加热在介于140℃至340℃之间的范围内的温度进行。
31.根据权利要求30所述的含钌膜，其中通过X射线光电子能谱法测量的所述含钌膜的(N+O)/Ru表面组成比在介于1.5和3.5之间的范围内。
32.根据权利要求31所述的含钌膜，其中所述表面组成比在介于1.8至3.2之间的范围内。
33.根据权利要求32所述的含钌膜，其中所述沉积压力为20毫托，氮气的所述流速为90sccm，所述功率为200瓦，并且其中所述加热在介于180℃至260℃之间进行。
34.根据权利要求30所述的含钌膜，其中所述含钌膜包含按所述膜的总重量计至多15％的氮。
35.根据权利要求30所述的含钌膜，其中所述含钌膜包含按所述膜的总重量计至多10％的氮，但按所述膜的总重量计不少于5％的氮。
36.根据权利要求30所述的含钌膜，其中所述含钌膜具有在介于260pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
37.根据权利要求36所述的含钌膜，其中所述沉积压力为20毫托，氮气的所述流速为90sccm，并且所述功率为200瓦。
38.根据权利要求30所述的含钌膜，其中所述含钌膜具有通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
39.根据权利要求30所述的含钌膜，其中所述含钌膜包括面心立方结构。
40.一种沉积到衬底上的叠层，所述叠层包括：至少部分地设置在所述衬底的表面上的金属层；设置在所述金属层的表面上的有源层，所述有源层包括根据权利要求30至39中任一项所述的含钌膜；以及至少部分地设置在所述有源层的表面上的覆盖层。
41.根据权利要求40所述的叠层，其中所述有源层至少部分地被电介质材料包围。
42.根据权利要求40所述的叠层，其中所述覆盖层由电介质材料组成。
43.一种包括多个阱的芯片，所述阱中的每个阱都包括根据权利要求40至42中任一项所述的叠层。
44.一种测序装置，其包括根据权利要求43所述的芯片。
45.一种沉积在衬底上的薄膜，所述薄膜包含氮化钌、氧化钌、氮氧化钌，或者其复合物或混合物，并且其中所述薄膜具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容，并且其中所述薄膜具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
46.根据权利要求45所述的薄膜，其中所述双层电容在介于260pF/um2至320pF/um2之间的范围内。
47.根据权利要求46所述的薄膜，其中所述双层电容在介于280pF/um2至300pF/um2之间的范围内。
48.根据权利要求45所述的薄膜，其中通过X射线光电子能谱法测量的所述薄膜的表面组成比(N+O)/Ru在介于1.5和3.5之间的范围内。
49.根据权利要求48所述的薄膜，其中所述表面组成比在介于1.8至3.2之间的范围内。
50.根据权利要求45所述的薄膜，其中所述薄膜包括通过横截面扫描电子显微镜检查法确定的树枝状结构。
51.一种电极，其包括根据权利要求45至50中任一项所述的薄膜。
52.一种制备电极的方法，其包括：
(a)在设置到导电层上的第一电介质层内蚀刻出洞，其中所述洞包括导电层的暴露表面；
(b)将包括含钌膜的工作电极至少沉积到所述洞内的所述导电层的所述暴露表面上；以及
(c)将覆盖层沉积到所述工作电极的表面上。
53.根据权利要求52所述的方法，其中沉积所述工作电极包括：(i)在氮气氛中使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者以提供所述含钌膜；以及(ii)在至少150℃的温度加热所提供的含钌膜。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述工作电极的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
55.根据权利要求53所述的方法，其中所述工作电极的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
56.根据权利要求53所述的方法，其中所述工作电极的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量，并且其特征还在于具有通过横截面扫描电子显微镜检查法观察到的柱状结构或树枝状结构中的一种。
57.根据权利要求52所述的方法，其中沉积所述工作电极包括(i)使用钌靶材执行溅射沉积或等离子体气相沉积中的一者，其中所述溅射沉积或所述等离子体气相沉积过程包括(i)将氮气以介于10sccm和100sccm之间的流速引入沉积室中，以及(ii)将氩气以10sccm的流速引入所述沉积室中，并且其中在所述沉积期间将所述沉积室内的沉积压力保持在介于5毫托至25毫托之间，并且其中所述沉积使用在从50瓦至250瓦的范围内的功率执行；以及(ii)在至少150℃的温度加热所提供的含钌膜。
58.根据权利要求57所述的方法，其中所述加热至少在200℃执行。
59.一种制备在纳米孔测序中使用的生物芯片的方法，其包括：
(a)根据权利要求52至58中任一项所述的方法制备多个电极；以及
(b)将所述多个电极中的每个电极彼此隔离。
60.一种纳米孔测序装置，其包括：(i)至少由金属氮化物组成的电极，其中所述金属氮化物具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容；以及(ii)和参考电极或反电极中的至少一者。
61.根据权利要求60和61中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述电极由钌、氧和氮组成，并且其中所述电极包含至少5％但不超过15％的氮。
62.一种生物芯片，其包括：(a)半导体衬底，所述半导体衬底具有密度至少为250个阱/mm2的多个阱；以及(b)电极，所述电极设置在所述多个阱中的每个阱中，其中所述电极由含钌材料组成。
63.根据权利要求62所述的生物芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
64.根据权利要求62所述的生物芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
65.根据权利要求64所述的生物芯片，其中所述表面组成比在从1.8至3.0的范围内。
66.根据权利要求64所述的生物芯片，其中所述表面组成比在从2至2.5的范围内。
67.根据权利要求62所述的生物芯片，其中所述含钌材料的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
68.根据权利要求62至67中任一项所述的生物芯片，其还包括设置在每个单独电极的表面上的疏水涂层。
69.根据权利要求62至68中任一项所述的生物芯片，其还包括设置在所述生物芯片上方的盖子。
70.根据权利要求69所述的生物芯片，其中所述盖子包括至少一个流体入口，以促进一种或多种流体向脂质涂层的递送。
71.一种套件，其包括根据权利要求62至70中任一项所述的生物芯片和脂质溶液。
72.一种套件，其包括根据权利要求62至70中任一项所述的生物芯片和一种或多种酶。
73.一种制备生物芯片的方法，其包括：(a)获得半导体衬底；(b)在所述半导体衬底中以至少250个阱/mm2的密度形成多个阱；以及(c)在所述多个阱的每个单独阱中形成电极，其中所述电极由含钌材料组成。
74.根据权利要求73所述的方法，其中所述含钌材料的特征在于具有在介于180pF/um2至320pF/um2之间的范围内的双层电容。
75.根据权利要求73至74中任一项所述的方法，其中所述含钌材料的特征在于具有通过X射线光电子能谱法测量的在介于1.5和3.5之间的范围内的(N+O)/Ru表面组成比。
76.根据权利要求75所述的方法，其中所述表面组成比在从1.8至3.0的范围内。
77.根据权利要求75所述的方法，其中所述表面组成比在从2至2.5的范围内。
78.根据权利要求73至74中任一项所述的方法，其中所述含钌材料的特征在于具有至少5％的氮含量但不超过15％的氮含量。
79.根据权利要求73至78中任一项所述的方法，其还包括用疏水材料涂覆所述电极的表面。
80.一种包括多个可单独寻址的纳米孔的生物芯片，其中每个可单独寻址的纳米孔与由根据权利要求30至39中任一项所述的含钌薄膜组成的工作电极流体连通。
81.一种组件，其包括：储器、根据权利要求62至70中任一项所述的生物芯片、以及反电极，所述反电极设置在所述储器的面向生物芯片的表面上。
82.根据权利要求81所述的组件，其中所述反电极被印刷在所述面向生物芯片的表面上。
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